一種基于無線智能移動(dòng)端智慧農(nóng)業(yè)設(shè)計(jì)

陳武 高東明 陳勝

摘要： 農(nóng)業(yè)發(fā)展及產(chǎn)量是人們一直追求，高質(zhì)量和無人值守是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)向往的趨勢(shì)之一，該設(shè)計(jì)特點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程和自動(dòng)化，智能化實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的需求，鑒于該設(shè)計(jì)采用無線通信和TCP和WIFI，基于ieee802.15.4無線通信協(xié)議，zigbee融合該技術(shù)并設(shè)計(jì)該系統(tǒng)，智慧農(nóng)業(yè)不僅質(zhì)量得到保證，同時(shí)合理控制智慧農(nóng)業(yè)產(chǎn)物的各種養(yǎng)分，根據(jù)前終端采集的各種參數(shù)和設(shè)定參數(shù)比較，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)智能化添加元素，使其智慧農(nóng)業(yè)產(chǎn)量更加好，客戶端可以更好監(jiān)控，不僅節(jié)約成本，產(chǎn)量也伴隨提高，經(jīng)濟(jì)效益有一定增長(zhǎng)。該設(shè)備系統(tǒng)更加智能化，對(duì)智慧農(nóng)業(yè)參數(shù)更加精確化，高效化，效益最大化。

關(guān)鍵詞：ZIGBEE；智慧農(nóng)業(yè)；無線傳輸；WIFI

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2018）12-0018-02

智慧農(nóng)業(yè)是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)向往趨勢(shì)之一，經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度加快，工業(yè)化、智能化程度也進(jìn)一步加深，人們對(duì)現(xiàn)今生活水平、生活追求、生活質(zhì)量、生活中時(shí)間利用也提出了更高要求。資源節(jié)約和環(huán)境保護(hù)成為當(dāng)今時(shí)代的主題之一，人們對(duì)美好生活向往和資源可持續(xù)利用越來越重視。實(shí)時(shí)監(jiān)控和智能化管理對(duì)蔬菜生長(zhǎng)進(jìn)行監(jiān)控，及時(shí)知道地表溫濕度變化、光照強(qiáng)度、二氧化碳濃度、土壤酸堿度，準(zhǔn)確掌控溫棚里補(bǔ)水量，前提條件是蔬菜和瓜果重要質(zhì)量之一?，F(xiàn)在社會(huì)生產(chǎn)實(shí)踐中都是利用電腦對(duì)溫棚進(jìn)行智能化控制，實(shí)際生產(chǎn)中，現(xiàn)在社會(huì)進(jìn)步，移動(dòng)端是現(xiàn)代生活必要之物之一，人們對(duì)移動(dòng)端的了解也進(jìn)一步加深，因此我們?cè)O(shè)計(jì)了這款A(yù)PP@PC來滿足智慧農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需求，擴(kuò)大農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。達(dá)到無人化，智能化，實(shí)現(xiàn)資源和人員最大經(jīng)濟(jì)化。

1 總體設(shè)計(jì)

ZigBee是一種新興短距離、低速率、低功耗網(wǎng)絡(luò)容量大無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)之一，是介于藍(lán)牙技術(shù)和WIFI無線之間技術(shù)之一，其基礎(chǔ)是IEEE802.15.4協(xié)議， IEEE無線個(gè)人局域網(wǎng)工作組一項(xiàng)指標(biāo)。鑒于該技術(shù)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)ZigBee技術(shù)為核心，總體結(jié)構(gòu)包括傳感器節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、繼電器控制節(jié)點(diǎn)、PC&PC;管理組成，各節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分布，節(jié)點(diǎn)之間自組網(wǎng)，組網(wǎng)方式三種：一是星型；二是網(wǎng)狀；三是樹狀；能夠?qū)崿F(xiàn)自組網(wǎng)，。ZigBee聯(lián)盟對(duì)ZigBee標(biāo)準(zhǔn)制定：IEEE802.15.4物理層、MAC層及數(shù)據(jù)鏈路層，ZigBee網(wǎng)絡(luò)層、加密層及應(yīng)用描述層制定也取得了較大進(jìn)展。IEEE僅處理低級(jí)MAC層和物理層協(xié)議，因此ZigBee聯(lián)盟對(duì)其網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議和API進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化。完全協(xié)議用于一次可直接連接到一個(gè)設(shè)備基本節(jié)點(diǎn)4K字節(jié)或者作為Hub或路由器協(xié)調(diào)器32K字節(jié)。每個(gè)協(xié)調(diào)器理論值可連接多達(dá)65535個(gè)節(jié)點(diǎn)，多個(gè)路由終端可形成多種網(wǎng)絡(luò)，路由傳輸路徑可根據(jù)選擇傳輸。ZigBee聯(lián)盟還開發(fā)了安全層，保證這種便攜設(shè)備不會(huì)意外泄漏其標(biāo)識(shí)，而且這種利用網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)距離傳輸不會(huì)被其他節(jié)點(diǎn)獲得，網(wǎng)絡(luò)信息經(jīng)過協(xié)調(diào)器傳至APP&PC;數(shù)據(jù)顯示和管理。

溫棚環(huán)境參數(shù)準(zhǔn)確上傳，準(zhǔn)確實(shí)時(shí)掌控?cái)?shù)據(jù)，保證棚內(nèi)植被正常生長(zhǎng)，是該設(shè)計(jì)重要指標(biāo)之一。如果溫棚溫度過高、土壤濕度、土壤PH值與栽種作物生長(zhǎng)所需不同、光照不足。管理人員就可以使用手機(jī)打開APP&PC;對(duì)參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，力保溫棚的環(huán)境管理人員可控范圍。其系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 硬件組成

保證系統(tǒng)穩(wěn)定性，采用 ZigBee和WIFI無線通信，集成MCU 8051 CPU和WiFi芯片，智能網(wǎng)關(guān)采用ZIGBEE和WiFi芯片集成；采用無線WIFI模塊通信，性能優(yōu)良；協(xié)調(diào)器與WIFI采用串口通信模式；ZIGBEE伴隨RF收發(fā)器系統(tǒng)分為三個(gè)部分組成：協(xié)調(diào)器 ，路由節(jié)點(diǎn)，終端設(shè)備。

終端設(shè)備：傳感器節(jié)點(diǎn)：硬件由CC2530為核心處理器，RF無線收發(fā)模塊，溫濕度采集模塊SHT11和PH計(jì)等傳感器組成。繼電器控制節(jié)點(diǎn)硬件由CC2530為核心處理器，RF無線收發(fā)模塊、繼電器模塊HK4100F-DC5V-SHG組成，采用獨(dú)立電源供電。

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)：硬件由CC2530為核心處理器，RF無線收發(fā)模塊組成。與終端設(shè)備代碼異同。

路由節(jié)點(diǎn)：和終端設(shè)備配置相同，燒錄代碼異同，其工作方式為無線通信，數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)，傳輸至APP&PC;。

2.2 模塊地址異同

CC2530擁有16位物理地址，地址分配取決于網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，分別三個(gè)值決定：

1）網(wǎng)絡(luò)最大深度L

2）每個(gè)父親設(shè)備上孩子數(shù)C

3）第二個(gè)子設(shè)備中有幾個(gè)路由器設(shè)備R

根據(jù)三要素可推出某父親設(shè)備路由間隔 C（d）

該公式計(jì)算Aparent這個(gè)父親設(shè)備分配第n個(gè)終端設(shè)備地址An。

鑒于該設(shè)計(jì)，每塊芯片擁有一個(gè)網(wǎng)絡(luò)分配給子節(jié)點(diǎn)短地址，是該設(shè)備在zigbee網(wǎng)絡(luò)中通信地址之一，此地址不唯一，時(shí)常組網(wǎng)芯片通信短地址不唯一。通信地址64位長(zhǎng)地址是唯一；芯片收到短地址立即回復(fù)一個(gè)信息反饋協(xié)調(diào)器，實(shí)現(xiàn)一次數(shù)據(jù)通信成功上傳。設(shè)計(jì)采用WIFI傳數(shù)據(jù)上PC和APP端，WIFI和zigbee協(xié)調(diào)器相互轉(zhuǎn)化，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交匯，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳和下發(fā)指令。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)采用zigbee自組網(wǎng)機(jī)制，采集數(shù)據(jù)信息經(jīng)WIFI協(xié)議，傳輸數(shù)據(jù)層，實(shí)現(xiàn)整個(gè)設(shè)計(jì)自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)控制。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)與傳感器節(jié)點(diǎn)、控制節(jié)點(diǎn)無線通信協(xié)議以IEEE802.15.4協(xié)議進(jìn)行通信，采用MESH網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)自組網(wǎng)絡(luò)。

3.1 傳感器節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)

傳感器節(jié)點(diǎn)流程圖如圖2所示，首先初始化硬件和標(biāo)準(zhǔn)2007協(xié)議棧，節(jié)點(diǎn)是否加入?yún)f(xié)調(diào)器網(wǎng)絡(luò)，其次查看該節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，由CC2530 RF收發(fā)模塊將采集質(zhì)量信息傳送給協(xié)調(diào)器，再由ZIGBEE轉(zhuǎn)WIFI轉(zhuǎn)入數(shù)據(jù)端進(jìn)行顯示并實(shí)現(xiàn)相應(yīng)控制指令。實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和指令上傳和下發(fā)功能。

3.2 協(xié)調(diào)器接收和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)程序設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)程序流程圖如圖3所示。首先初始化整個(gè)硬件，發(fā)出組網(wǎng)命令，網(wǎng)絡(luò)判斷是否有子設(shè)備加入；其次檢測(cè)是否數(shù)據(jù)上傳三次協(xié)議，數(shù)據(jù)經(jīng)CC2530串口發(fā)送WIFI，協(xié)議上發(fā)到控制終端；最后選擇查看所有節(jié)點(diǎn)，組網(wǎng)的命令發(fā)送結(jié)束，設(shè)備列表中子設(shè)備網(wǎng)絡(luò)還未組好網(wǎng)絡(luò)，再一次上發(fā)組網(wǎng)命令，實(shí)現(xiàn)自組網(wǎng)結(jié)束。如果移動(dòng)端一旦發(fā)出命令，所有設(shè)備處于帶工作狀態(tài)。指令一經(jīng)觸發(fā)，設(shè)置好裝溫濕度和其他參數(shù)后。數(shù)據(jù)開始上傳和數(shù)據(jù)下發(fā)指令，與之設(shè)定值相比較，溫濕度上傳作比較，其他參數(shù)相同，設(shè)定范圍內(nèi)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)不執(zhí)行，反之動(dòng)作，既能實(shí)現(xiàn)智能化，又能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化過程。

4 數(shù)據(jù)測(cè)試與分析

圖4中濕度范圍值設(shè)定和LED調(diào)光設(shè)置，根據(jù)各種植被需要選擇不同的范圍，使其適合生長(zhǎng)；網(wǎng)絡(luò)連接和退出系統(tǒng)是兩個(gè)選擇；應(yīng)對(duì)移動(dòng)端連接本地的網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)通過本地WIFI傳輸至APP&PC;，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交匯。圖中圓盤功能是對(duì)大棚光照強(qiáng)度電機(jī)控制，光照強(qiáng)度弱，電機(jī)正轉(zhuǎn)，反之反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)植被光合作用充分吸收。

手動(dòng)控制和智能控制是該設(shè)計(jì)最大的難點(diǎn)。

圖5中功能有報(bào)警，溫濕度顯示，風(fēng)扇等節(jié)點(diǎn)；設(shè)定相應(yīng)的范圍值，終端數(shù)據(jù)上傳至移動(dòng)端，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交匯，與設(shè)定值相比較，終端上傳的數(shù)據(jù)圖中溫度，濕度，風(fēng)扇，報(bào)警等實(shí)時(shí)顯示。數(shù)據(jù)上傳至協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，數(shù)據(jù)再次轉(zhuǎn)發(fā)，移動(dòng)終端收到數(shù)據(jù)，顯示實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，與之相比較，執(zhí)行機(jī)構(gòu)做出相應(yīng)機(jī)構(gòu)。實(shí)現(xiàn)智能化，自動(dòng)化管理現(xiàn)代農(nóng)業(yè)。

5 結(jié)束語

本文提出一種基于無線智能移動(dòng)端智慧農(nóng)業(yè)設(shè)計(jì)方案，對(duì)現(xiàn)代智慧農(nóng)業(yè)高效智能化管理硬件和軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)能實(shí)時(shí)監(jiān)控各個(gè)節(jié)點(diǎn)狀態(tài)和高效可靠自動(dòng)化傳輸數(shù)據(jù)和命令，同時(shí)更加實(shí)現(xiàn)了設(shè)備精準(zhǔn)高效無人智能化一體管理，實(shí)現(xiàn)智慧農(nóng)業(yè)文人值守，經(jīng)濟(jì)效益最大化。

參考文獻(xiàn)：

[1] 朱向慶，王建明.ZigBee協(xié)議網(wǎng)絡(luò)層研究與實(shí)現(xiàn)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2006（01）.

[2] 李珂.ZigBee協(xié)議分析以及MAC層軟件實(shí)現(xiàn)[D].成都信息工程學(xué)院，2001.

[3] 葛廣英，葛青，趙云龍.ZigBee原理、實(shí)踐及綜合應(yīng)用[M].清華大學(xué)出版社，2015.

[4] 辛海亮，鐘佩思，朱紹琦，等.基于ZigBee物聯(lián)網(wǎng)智能家居控制系統(tǒng)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2013（12）：79-81.

[5] 吳成東.智能無線傳感器網(wǎng)絡(luò)原理與應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，2011.

[6] 李珂.ZigBee協(xié)議分析以及MAC層軟件實(shí)現(xiàn)[D].成都信息工程學(xué)院，2001.

[7] 劉化君，劉傳清.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2011.

[8] 李文仲，段朝玉.ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)入門與實(shí)戰(zhàn)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007 .

[9] ZigBee實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)手冊(cè)[中文版].

[10] 孫宇.工業(yè)控制中可靠的專用無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)难芯繄F(tuán)[J].信息技術(shù)，2004，28（l）：51-52.

[11] 葛崛，車軒.工業(yè)監(jiān)控中的遠(yuǎn)程通信方案閉[J].電氣時(shí)代，2003（9）：44-4.